4 & 5 Sifat Fisik Dan Mekanik Batuan Utuh

SIFAT FISIK DAN MEKANIK BATUAN UTUH MEKANIKA BATUAN Romla Noor Hakim – Eko Eko Santoso - Sari Melati

1

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Efek Skala – Batuan Batuan Utuh – Massa Massa Batuan

2


Efek Skala – Batuan Batuan Utuh – Massa Massa Batuan

2


Pengujian di Laboratorium Uji di laboratorium yang pada umumnya dilakukan terhadap contoh (sample) yang diambil di lapangan. Hasil pengujian menunjukkan sifat-sifat batuan utuh. Satu contoh dapat digunakan untuk 2 jenis pengujian.  Pengujian tanpa merusak (non-destructive test) • Penentuan sifat fisik batuan untuk mendapatkan bobot isi, spesific gravity , porositas, absorpsi, dan void ratio • Penentuan sifat dinamik batuan untuk mendapatkan cepat rambat gelombang ultrasonik  Pengujian merusak (destructive test), merupakan pengujian yang dilakukan sampai contoh batu hancur • Penentuan sifat mekanik batuan untuk mendapatkan kuat tekan uniaksial dan triaksial t riaksial,, kuat tarik, kuat geser, geser, indeks Moduluss Young, oung, Poisso Pois son‟ n‟ss Rati Ratio, o, kohesi dan kekuatan batuan, Modulu sudut gesek dalam. 3


4


Persiapan Pengujian

5


Persiapan Contoh Batu Uji Persiapan contoh di Lapangan 

Direct diamond drilling BQ, NQ HQ (35 - 75 mm) & L/D = 2 – 2.5

Persiapan contoh di Laboratorium

6



Contoh batu: di coring dari contoh bongkah batuan



Contoh silinder: BQ, NQ, HQ (35 - 75 mm) & L/D = 2 – 2.5



Contoh batu untuk uji kuat tekan : potong contoh batu rata, paralel kedua muka dan saling tegak lurus.



Ukur L & D, luas muka dan volume


Persyaratan Contoh Batu untuk Uji UCS & Triaxial 

Sebuah spherical seat, jika ada, dari sebuah mesin tekan. Jika tidak sesuai dengan spesifikasi berikut, maka harus dikeluarkan atau diposisikan terkunci, kedua pelat penekan mesin tekan harus paralel satu dengan

lainnya. 

Pelat besi penekan dalam bentuk disc dan mempunyai Rockwell hardness > HRC58 harus diletakkan pada kedua ujung muka contoh batu. Diameter kedua pelat besi penekan harus diantara (D) – (D+2 mm). D adalah diameter contoh batu. Ketebalan dari pelat besi penekan paling tidak 15 mm atau D/3. Kedua muka pelat besi penekan harus rata dengan kerataan lebih baik daripada 0.005 mm.



Salah satu sisi muka dari kedua pelat besi penekan harus berbentuk spheris concave dan conves (spherical seat) sehingga keduanya bisa saling duduk dengan baik. Spherical seat harus ditempatkan di atas muka contoh batu uji.



Kontak spherical seat harus terlubrikasi minyak mineral secukupnya sehingga dapat mengunci setelah bobot dari cross-head sudah mengena ke sistem contoh batu uji dengan spherical seat.



Contoh batu uji, spherical seat dan pelat besi penekan harus dipastikan terpusat sehingga garis gaya vertikal tidak keluar dari titik pusat penekanan dari mesin hingga pelat besi penekan terbawah. Pusat kurvatur muka dudukan pelat besi penekan harus bertemu dipusat dari muka atas contoh batu uji. 7


Persyaratan Contoh Batu untuk Uji UCS & Triaxial 

Contoh batu uji harus silinder rata semua sisinya dengan L/D 2.5 – 3.0 & diameter > NX, sekitar 54 mm. Diameter contoh silinder harus berkaitan dengan ukuran butir terbesar dengan nisbah minimal 10: 1.



Kedua muka contoh uji silinder harus rata dengan ketelitian 0.02 mm dan tidak menyimpang dari ketegaklurusan sumbu utama lebih daripada 0.001 radian (sekitar 3.5 menit) atau 0.05 mm dalam 50 mm.



Sisi panjang silinder harus rata dan bebas dari tonjolan atau benjolan dan tegak lurus terhadapo kedua sisi muka dengan penyimpangan maksimum dari sumbu utama 0.3 mm sepanjang contohnya.



Dilarang menggunakan capping materials atau “end surface treatments” selain polishing dengan mesin poles.



Diameter contoh uji harus diukur hingga ketelitian mendekati 0.1 mm dengan mengambil rata-rata pada sisi diameter bahwa, tengah dan atas tegask lurus terhadap sumbu utama silinder. Diameter ratarata digunakan untuk menghitung luas sisi muka contoh uji.Tinggi atau panjang contoh uji dikuru

dengan ketelitian hingga mendekati 1.0 mm. 

Contoh batu uji harus disimpan tidak lebih dari 30 hari agar kandungan air alamiah sedapat mungkin dipertahankan & diuji dalam kondisi demikian. 8


Kekerasan Mineral

9


Kekerasan Material Kristal Padat Kekerasan Mineral 

Kemampuan mineral untuk menggores atau mengabrasi mineral atau benda lainnya dikatakan sebagai Mohs hardness (Fredrick Mohs, awal abad ke 19)



Ketahanan terhadap indentasi dibawah kondisi tegangan tetap dikatakan sebagai indentation hardness atau microhardness.



Masing-masing - sebuah ukuran ketahanan suatu struktur kristal terhadap kerusakan mekanik yang merefleksikan kekuatan ikatan atom dalam crystallographic lattice (pola-pola geometris atom/molekul) dari sebuah material tertentu.



Skala kekerasan Mohs: 

kekerasan relatif mineral terhadap kekerasan absolut.



Bersifat sebagai sebuah tabel abitrari & bukan representasi inherent mineral hardness Daftar 10 mineral umum yang kekerasannya menaik atau menurun dalam tabel tsb. Tidak dapat langsung digunakan untuk mengkuantitatifkan kekerasan sebuah mineral.

 



Mohs' scale: 

a mineral will scratch another mineral of equal or lesser hardness than itself.



This allows the 10 common minerals of Mohs' scale to be used to make a simple scratch test to grade that an unknown mineral can scratch or be scratched by another, and in so giving a rough estimate of relative hardness. This test allows the unknown mineral's relative hardness to be compared to a list of known relative mineral hardnesses to help in identification. Mohs' scale is usually graduated only to 0.5 or 0.25 intervals.





10


Kekerasan Material Kristal Padat Kekerasan Mineral 

Vickers atau Knoop microhardness adalah sebuah ukuran kekerasan indentasi.



Metode-metode ini memerlukan mesin uji besar dan mahal, mikroskop dengan kekuatan besar, menyita waktu untuk persiapan contoh uji untuk menentukan kekerasan mineral sebenarnya.



Metode pengujian ini sangan berhubungan masalah kerekayasaan laboratorium.



Microhardness tidak umum digunakan dalam terminologi geologi, tetapi kebanyakan geologist mengetahui hubungan antara skala Mohs dan microhardness.



Karena sifat anisotropy dari indentation hardness dengan orientasi krystalografic dan batasan perbedaan metode uji microhardness, biasanya metode Knoop digunakan untuk menentukan indentation hardness of minerals.



Bentuk Knoop's die sedemikian rupa hingga pengujian dapat dilakukan pada perbedaan orientasi dan bidang crystallographic. Nilai Knoop diperoleh sebagai ratarata dari berbagai orientasi crystallographic. 11


Knoop vs. Mohs' Hardness & Log Knoop vs. Mohs' Hardness

12


Kekerasan Mineral

13

Mineral

Knoop

Vickers

Mohs'

Talc

NA

1

1

Gypsum

61

3

2

Calcite

141

9

3

Fluorite

181

21

4

Apatite

483

48

5

Orthoclase

621

72

6

Quartz

788

100

7

Topaz

1190

200

8

Corundum

2200

400

9

Diamond

8000

1600

10


Kekerasan Mineral

14

Material

Knoop (kg/mm2)

Mohs'

Copper

120

3

Copper (hammered)

150-200

3.25-3.75

Bronze

175

3.5

Cast Iron

200-500

4-5

Steel

400-600

5.5

Glass

700

6-7

Hardened Steel

700-1000

6.5-7.5

Aluminum oxide

2000-2050

8-9

Tungsten Carbide

2050-2150

9

Silicon carbide

2150-2950

9-10

Boron carbide

2900-3900

9-10

Synthetic Diamond

6000-7500

10

Diamond

8000-8500

10


Kekerasan Mineral Mineral

Mohs' Scale

Toughness

Talc

1

poor

Gypsum

2

poor

Calcite

3

Malachite

Mineral

Mohs' Scale

Toughness

poor to good

Plagioclase

6-6.5

poor

3.5-4

poor

Nephrite

6-6.5

exceptional

Fluorite

4

poor

Peridot

6.5-7

fair to good

Apatite

5

fair

Quartz

7

good

Hornblende

5-6

poor to excellent

Garnet

7 - 7 .5

fair to good

Lazulite

5-6

poor

Tourmaline

7 - 7 .5

fair

Hematite

5.5-6.5

excellent

Beryl

7.5- 8

good

Orthoclase

6-6.5

poor

Topaz

8

poor

Corundum

9

excellent (3.3-5.8 MPa(m)1/2)

Diamond

10

good to exceptional (3.4 MPa(m)1/2)

Glass

6

fair to good

Tungsten Carbide

9

exceptional (10.5 MPa(m)1/2)

15


I. Uji Sifat Fisik

16


Manfaat •

Perhitungan tegangan akibat beban batuan sebagai gaya penggerak yang menentukan kelongsoran lereng atau beban batuan sebagai tegangan vertikal pada tambang bawah tanah

•

Analisis pengaruh kandungan air terhadap kestabilan lereng atau terowongan

•

Salah satu dasar pertimbangan untuk membangun struktur di atas dan dalam batuan

•

17

Memprediksi kekuatan batuan secara umum


Konsep dasar uji sifat fisik – batuan terdiri dari 3 bagian dan mengalami 3 kondisi

Udara (air) Pori (void) Air (water) Kondisi Asli (natural) Butiran (grain)

18

Padatan (solid)

Kondisi Jenuh (saturated) Kondisi Kering (dry)


Konsep dasar pengujian – Hukum Archimedes

19


Konsep dasar pengujian – Hydrostatic Weighing 

Perbandingan densitas benda terhadap densitas fluida :



Densitas benda yang dibenamkan relatif terhadap densitas fluida dapat dihitung tanpa melakukan pengukuran terhadap volumenya

20


Peralatan



Oven yang mampu memanasi hingga 105oC selama 24 jam



Kontainer contoh batuan yang tidak mudah korosi termasuk penutup kedap udara



Desikator berukuran cukup untuk menampung contoh uji batuan



Pompa Vacum dengan kapasitas sedot 800 Pa untuk selama 1 jam yang dihubungkan dengan desikator agar udara yang terperangkap di dalam contoh batu dapat keluar dan disi oleh air.



Ember atau kontainer yang dapat menampung contoh batu saat menimbang contoh dalam posisi tergantung dari timbangan di dalam air



Timbangan dengan akurasi 0.001% berat contoh 21


Cara Pengujian •

Tentukan berat alamiah contoh batu : Wn

•

Tentukan contoh batuan kondisi kering setelah di dalam oven selama 24 jam dengan temperatur ± 90oC : Wo

•

Tentukan berat contoh batu jenuh setelah dijenuhkan dalam desikator selama 24 jam : Ww

•

Tentukan berat contoh jenuh tercelup tergantung di dalam air : Ws

•

Tentukan volume contoh batuan tanpa pori-pori : Wo - Ws

•

Total volume contoh batu : Ww - Ws

22


Parameter Sifat Fisik Natural density 

Dry density



Wn Ww - Ws

Wo Ww  Ws

Saturated density



Apparent density 

Ww

Ww  Ws  Wo   Wn  Ws  Water density

 Wo   Wo  Ws  True density 

Water density

23

 Wn - Wo  x 100%   Wo 

Natural water content  

 Ww - Wo   x 100% Wo  

Saturated water content  

 Wn - Wo  Degree of saturation    x 100% Ww Wo    Ww - Wo   x 100% Ww Ws  

Porosity - n  

 n   1 - n 

Void ratio  


II. Uji Kecepatan Ultrasonik

24


Manfaat •

Memprediksi kuat tekan batuan

•

Memprediksi rekahan atau pori dalam batuan

•

Kemampugalian batuan ditentukan juga oleh karakteristik dinamiknya, karena perjalanan gelombang akibat benturan mata bor dan gigi-gigi alat gali terhadap batuan merupakan gerakan dinamik.

•

Salah satu dasar penentuan loading density (muatan bahan peledak per volume target pembongkaran)

25


Cara Pengujian

Peralatan dan Perlengkapan •

•

PUNDIT (Portable Unit NonDestructive Digital Indicated Tester), untuk mengukur waktu tempuh gelombang ultrasonik Gemuk, untuk menutup poripori di permukaan kontak contoh 26

1. PUNDIT disiapkan dengan memasang kabel tegangan, kabel emitter, dan kabel receiver. 2. Alat dikalibrasi menggunakan silinder standar kalibrasi yang telah diketahui waktu rambatnya. Permukaan bidang kontak silinder dilumasi sebelum ditempatkan di antara transduser (emitter dan receiver). Pundit dihidupkan kemudian dilakukan pengaturan agar waktu rambat yang tertera di layar sesuai dengan waktu rambat silinder pengkalibrasi. 3. Bidang kontak contoh yang akan diuji dilumasi, kemudian batuan diletakkan di antara transduser seperti pada gambar. PUNDIT dihidupkan dan waktu rambat gelombang primer yang tertera pada layar dicatat. Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Parameter Sifat Dinamik Batuan yang Didapatkan dari Uji Kecepatan Ultrasonik •

•

•

•

Cepat rambat gelombang primer (Vp) Vp = L/tp Cepat rambat gelombang sekunder (Vs) Vs = L/ts Modulus geser dinamik (Gdyn) Gdyn = .Vs2 Poisson‟s ratio (dyn) 1−2

 

2 1−

 

dyn = •

•





Modulus Young dinamik (Edyn) Edyn = 2 (1+) G Modulus Ruah (K dyn)  K dyn = (3 2 - 4 2 )

L = panjang contoh (m) tp = waktu yang dibutuhkan gelombang primer merambat sepanjang contoh (detik) ts = waktu yang dibutuhkan gelombang sekunder merambat sepanjang contoh (detik)  = bobot isi (massa per satuan volume) Satuan modulus dalam kg/cm 2

3

•

27

Konstanta Lame ()  =  ( 2 - 2 2 ) Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Contoh Hasil Uji Sifat Fisik

28


III. Uji Kuat Tekan Uniaksial

29


Manfaat



Uji UCS (Unconfined Compressive Strength) dimaksudkan untuk menentukan nilai kuat tekan uniaksial contoh batu dalam bentuk geometri geomet ri regular regula r. Tujuan utama pengujian pengu jian ini untuk klasifikasi klasifikasi kekuatan kekuatan dan karakterisasi karakterisasi batuan utuh.



Mengetahui perilaku batuan



Memperoleh Memperoleh parameter elastik untuk memprediksi deformasi akibat tegangan

30


Spherical seat

Steel platen

Peralatan dan Perlengkapan Perlengkapan • • • •

Alat uji kuat tekan, untuk memberikan gaya tekan pada contoh batuan Spherical seat, untuk mendistribusikan tekanan pada permukaan contoh batu Dial gauge, gauge , untuk menghitung regangan selama pengujian Stopwatch, untuk menghitung laju pembebanan 31


Cara Pengujian 1. 2.

3.

4.

32

Contoh batuan diletakkan di tengah-tengah pelat dasar alat uji. Tiga unit dial gauge dipasang untuk mengukur perpindahan selama pembebanan, 1 unit untuk mengukur perpindahan aksial, dan dua unit lainnya untuk mengukur perpindahan lateral. Mesin hidrolik dihidupkan untuk menggerakkan piston sehingga menekan pelat ke bawah. Ketika pelat menyentuh bidang kontak contoh, bidang kontak disesuaikan agar rata dengan pelat penekan. Dial gauge diatur pada posisi nol.

5.

6.

Ketika jarum hitam pada alat pengukur gaya mulai bergerak meninggalkan titik nol, pembebanan aksial dimulai dan stopwatch dihidupkan. Deformasi aksial dan lateral dicatat saat jarum hitam pada alat pengukur gaya berada tepat di nilai-nilai tertentu, tergantung estimasi kuat tekan batuan.


Mekanisme keruntuhan batuan menurut Uji Kuat Tekan

33


Parameter Sifat Mekanik Batuan yang Diperoleh dari Hasil Uji Kuat Tekan

•

Kuat Tek Tekan an Uniaksial (c) c =

•

•

34





Modulus Young (E) Nisbah Poisson ()


Contoh Hasil Uji Kuat Tekan Contoh

35

c (MPa)

E (Gpa)

beton

27.1

5.07

0.22

andesit

69.31

23.31

0.18

batulempung

21.48

4.22

0.33


Penentuan Modulus Young  (MPa)

Average

σc σYP

 (MPa) Δσ σc σYP

Δε

e Axial (%)

Tangent  (MPa)

50% σc Δσ

σc

Secant

σYP Δε

e Axial (%)

50% σc Δσ

Δε

e Axial (%) 36


Penentuan Modulus Young 

Modulus Young Aksial, E (perbandingan delta tegangan aksial terhadap regangan aksial akibat perubahan tegangan) contoh batu uji dapat ditentukan melalui salahsatu metode yang diterima dalam praktek engineering.



Modulus Young Tangent, Et, ditentukan pada tingkat tegangan sekian persen dari UCS. Biasanya pada tegangan 50% UCS.



Modulus Young Rata-Rata, Eav, ditentukan pada kemiringan rata-rata atau sekitar garis lurus miring proporsi dengan kurva tegangan regangan.



Modulus Young Secant, Es, biasanya diukur dari tegangan nol hingga suatu nilai persen tegangan dan umumnya sekitar 50%. 37


Modulus Young

Hubungan Kekuatan dan Deformabilitas Batuan (Deere & Miller, 1966) (Bell, 1993)

38


Modulus Young

39


Modulus Young

40


Modulus Young

41


Nisbah Poission 

Nisbah Poisson: nisbah negatif regangan lateral terhadap regangan aksial pada material elastik yang mengalami tegangan uniaksial.



Dalam mekanika struktur terdeformasi, kecenderungan sebuah material untuk mengembang atau mengkerut di dalam arah tegak lurus terhadap arah pembebanan dikenal sebagai “efek Poisson”.



Nisbah Poisson: sifat mekanik yang berperan dalam deformasi suatu material elastik, digunakan dalam masalah-masalah rekayasa yang berasosiasi dengan deformasi batuan, misalnya dalam perhitungan analisa numerik tegangan.



Nilai Nisbah Poisson: 

Sangat jarang, nilainya negative atau > 0.5



Batuan isotropik: 0 - 0.5



Kebanyakan batuan: 0.05 - 0.45.



Aplikasi rekayasa (keteknikan) : 0.2 - 0.3



Batubara: 0.25 – 0.346

42


Nisbah Poisson 

Dalam uji statik UCS atau triaxial untuk penentuan kekuatan atau deformabilitas sebuah batuan, nisbah Modulus Young terhadap Nisbah Poisson (E/) dari pelat besi penekan mengikuti kaidah berikut: 

Mendekati nisbahnya contoh batu untuk menghilangkan pengaruh yang tidak dikehendaki.



Besi baja, material yang sering digunakan sebagai pelat penekan, nisbah (E/) nya = 670; dan ini sungguhnya lebih besar daripada nisbahnya berbagai jenis batuan yang sering dijumpai.





Aluminum (E/ = 200) & brass/kuningan (E/  = 300) bisa jadi memberikan kecocokan (E/) yang lebih baik daripada besi baja, keduanya mudah rusak; untuk alasan tsb, maka lebih baik diperkeras dengan besi baja dan diameter yang sama dengan diameter contoh batu uji akan jauh lebih baik.

Dalam contoh batu uji silinder pada kondisi pembebanan unikasial, variasi regangan sirkumferensial atau radial dengan kenaikan tegangan aksial akan mulai deviasi dari linieritas saat transisi dari fase deformasi elastik linier ke fase „„stable crack propagation.‟‟ Atau, Nisbah Poisson suatu batuan akan tetap sepanjang fase deformasi elastik linearnya, mulai menaik karena adanya pengembangan rekahan baru atau rekahan lama.



Kebanyakan batuan, nisbah tingkat tegangan pembentukan awal rekahan terhadap UCS berada pada selang 0.3 - 0.5 UCS dan variasinya pada uji triaksial 0.36 - 0.6. 43


Nisbah Poisson Batuan H. Gercek. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 44/2007/1-13

44


Types of Broken Rock Specimens Due to UCS Test Kramadibrata 1990 - L/D=2 Cataclasis

Homogeneous Shear

45

Axial Splitting

Combination Axial & Local Shear

Cone Failure

Homogeneous Shear

Splintery & Onion Leaves & Buckling


Kurva Tegangan Regangan Untuk Kekuatan vs. Deformabilitas

46


Persamaan Konstitutif

47


Kuat Tekan Uniaksial (UCS)

UCS (MPa) Klasifikasi Bieniawski, 1973

Tamrock, 1988

Sangat keras

250-700

200 [7]

Keras

100-250

120 – 200 [6-7]

Keras sedang

50-100

60 – 120 [4,5-6]

Cukup lunak

-

30 – 60 [3-4,5]

Lunak

25-50

10 – 30[2-3]

Sangat lunak

1-25

- 10

48


Classification of Rock Hardnesses (Attewell & Farmer 1976) Strength Classification

UCS (MPa)

Very weak

10-20

weathered and weakly-compacted sedimentary rocks

Weak

20-40

weakly-cemented sedimentary rocks, schists

Medium

40-80

competent sedimentary rocks; some low-density coarsegrained igneous rocks

Strong

80-160

competent igneous rocks; some metamorphic rocks and fine-grained sandstones

Very strong

160-320

quartzites; dense fine-grained igneous rocks

49

Typical rock types


Modulus Elastisitas & Nisbah Poisson Untuk Batuan Isotropik Transversal (H. Gercek, 2006)

50


Modulus Elastisitas & Nisbah Poisson Untuk Batuan Ortothropik (H. Gercek, 2006)

51


Kategori Nisbah Poisson

52


Nisbah Poisson Berbagai Batuan

53


Post Failure Behaviour 

For a realistic simulation of tunnel excavation and support and the determination of the required energy for rock excavation, the rock mass behaviour including post failure behaviour must be known.



The post-failure behaviour of a rock specimen can be obtained by performing the entire stress-strain performance of UCS test using stiffness compensated piston displacements



When a rock sample is tested at a constant loading rate, in general violent failure occurs when the peak strength is reached.



In case of inappropriate test control brittle rock specimen can fail violently at or shortly afterthe peak strength. This is influenced not by an inherent material property, but also the amount of energy stored in the test machine and the specimen. If, however, displacement or strain is regarded as the independent variable, the failure of rock can be controlled, but a stiff load frame and electronic servo-controls are required in order to observe the post failure behaviour of brittle materials. There are certain, mostly stiff and brittle rock types at which explosive failure can not be precluded without abstracting energy from the specimen.



This circumstance was the reason to adopt a differentiation in two rock classes for the post-failure behaviour in unconfined compression



The Class II behaviour of rock is characterized by non-uniform failure, which agrees qualitatively with common experimental observation, and shows not only class I but also class II behaviour depending on strength variation of springs. The elastic strain of both class I & II rocks, tends to decrease in the post-failure region as the load bearing capacity deteriorates. The remarkable difference between class I & II categories is the magnitude of non-elastic strain. That is, if non-elastic strain increases faster that elastic strain decreases, then rock shows class I behaviour, and in the opposite case class II behaviour. In general, the non-elastic strain increases with confining pressure and in some cases, rock behaviour changes from class II to class 1 at higher confining pressure

54


Tipikal Kurva Tegangan Regangan Batuan Kelas I & II

55


Karakteristik Kurva Tegangan Regangan Pasca Runtuh untuk Batuan Lunak dan Batuan Kaku

56


Pengaruh Bentuk pada UCS

L/D=2

L/D=2.5

L/D=3

ASTM

Protodiakonov

57



c(  D) =



c

0,222 0,778 + /D

c( = 2D) =



8  c 2 7 + /D


Orientasi Contoh Batu Terhadap Bidang Perlapisan

58


Pengaruh Skala pada UCS

UCS MPa 600 BASALTMAFIC

500

PORPHYRY GMD-U8 Ore

400

GMD-U8 MULLOCK

300 200 100

Hoek & Brown (1980) 59

0 0

25

50

75

100

125

150

175


Pengaruh Anisotropik pada UCS



Maximum failure strength is either at b = 0o or 90o and the minimum value usually is around b=30o, more precisely at (45-f/2) where f is the friction angle along the plane of weakness, fracture or sliding.



The shape of the curve between the uniaxial compressive strength ( c) and the orientation angle, b; is designated as the „type of anisotropy‟‟ and is found to be generally of three types namely „U-shaped‟‟, „„shoulder shaped‟‟ and „„wavy shaped‟‟

60


Pengaruh Anistropik pada UCS Devonian Slate & Graphitic Phyllite (Brown et al, 1977 & Salcedo, 1983)

61


Pengaruh Anistropik UCS Pada Batuan Schist

62


IV. Uji Kuat Geser

63


Manfaat 

Memperoleh parameter uji kuat geser

untuk

analisis

lereng tambang terbuka 

kestabilan

Mohr-Coulomb Criteria (Linear)  = C + σ   = C + σ tan f

Kuat geser adalah gaya internal melawan gaya yang dikenakan sepanjang bidang geser di dalam batuan itu sendiri yang dipengaruhi oleh karakteristik intrinsik dan gaya-gaya luar.



Untuk menentukan kuat geser batuan dalam kondisi pembebanan normal di atas bidang geser yang memiliki koefisien gesek batuan () memerlukan 5 contoh batuan.



Setiap contoh batuan diberi beban normal yang berbeda ( ) dan tegak lurus bidang geser untuk mendapatkan: garis kuat geser Coulomb ( ), kuat geser, sudut gesek dalam (f), kohesi (C)

64


Ilustrasi aplikasi Uji Kuat Geser Displacement

F N 50

Fs

45

Area

40 35

ir

ip

30 25 20 15 10

55

65

50

45

40

35

30

25

20

15

10


5

Alat Uji Kuat Geser Langsung

66


Contoh Data Hasil Uji Kuat Geser Perpindahan horizontal (mm}

FH{kN}

58.42 55.88 53.34 50.80 48.26 45.72

67

H {kPa}

Perpindahan vertikal {mm}

FN {kPa}

N {kPa}

0.00 2.30 2.90 3.20 2.90 2.42

0.00 85.29 107.54 118.66 107.54 89.74

14.15 14.22 14.40 14.30 14.17 14.02

3.53 3.53 3.53 3.53 3.53 3.53

130.90 130.90 130.90 130.90 130.90 130.90

43.18 4064 38.10 35.56 33.02

4.90 4.80 4.74 4.26 3.68

181.70 178.00 175.77 157.97 136.46

13.84 13.79 13.74 13.69 13.61

9.30 9.30 9.30 9.30 9.30

344.87 344.87 344.87 344.87 344.87

30.48 27.94 25.40 22.86 20.32

8.80 8.71 8.10 7.70 7.20

326.32 322.99 300.37 285.53 266.99

13.41 13.31 13.21 13.08 12.95

18.60 18.60 18.60 18.60 18.60

689.73 689.73 689.73 689.73 689.73

17.78 15.24 12.70 10.16 7.62

13.80 13.00 11.80 10.70 9.20

511.74 482.07 437.57 396.78 341.16

12.65 12.32 11.89 11.40 11.30

37.20 37.20 37.20 37.20 37.20

1379.46 1379.46 1379.46 1379.46 1379.46


M a j u G e s e r

B a l i k g e s e r

68

Perpindahan geser (mm)

Gaya geser, kg

Perpindahan normal ( x 0,01 mm )

0

0

0

1

90.72

21

2

90.72

20

3

90.72

21

4

113.40

24

5

90.72

20

6

90.72

20

7

90.72

21

8

90.72

19

9

90.72

19

10

90.72

20

10

0

0

9

45.36

13

8

45.36

12

7

45.36

13

6

90.72

17

5

90.72

16

4

45.36

12

3

45.36

12

2

45.36

13

1

45.36

12

0

45.36

12

Contoh Data Hasil Uji Kuat Geser

Normal Load = 82.05 kg Saw cut plane : circle - Length : 4.57 cm - Width : 4.57 cm - Area ( A ) : 16.410 cm2 Normal Stress : ( n ) = Pn /A = 5 kg/cm2


Contoh Hasil Uji Kuat Geser Natural shear stre ngth

Saturated shear strength

1400

1000

Peak 1200 ) a P k (

p = 728,68 + n tan 44,28o

1000

h t g n e r t s r a e h S

2

R = 0,9368

800

Residual

600

s = 217,02 + n tan 40,74o

400

R2 = 0,8767

) a P k (

800

h t g n e r t s r a e h S

600

Peak

Residual

p = 105,92 + n tan 57,25o R2 = 0,9401

400

s = 108.64 + n tan 52,17o

200

2

R = 0.8903

200 0

0 0

200

400

600

800

1000

Normal strength (kPa)

Puncak Peak

69

Sisa

1200

1400

0

200

400

600

800

Norm al stre ngth (kPa)

Puncak Peak

Sisa


1000

Faktor Yang mempengaruhi Kuat Geser Batuan 



70

Faktor Intrinsik 

Kohesi



Sudut gesek dalam

Faktor Extrinsik (environmental factors) 

Tegangan normal,



Pre-existing cracks,



Air,



Mineralogi contoh batuan,



Ukuran butiran,



Kekasaran bidang geser,



Laju perpindahan,



Ukuran contoh uji



Derajat kekompakan contoh batuan


Ilustrasi Kohesi & Sudut Gesek Dalam 

Kohesi (c): tegangan geser yang diperlukan untuk menggeser batu akibat tegangan normal nol. Hal ini akibat semata-mata dari kekasaran bidang geser atau bidang yang sudah disementasi. Pada kondisi sisa, kohesi turun drastis bahkan nol karena ikatan antar butir terganggu atau rusak.



Untuk memahami arti sudut gesek dalam ( f), bayangkan sebuah blok seberat W berada diatas sebuah bidang miring halus dengan luas kontak A.



Blok tsb memiliki gaya penggerak akibat beratnya W sin q & gaya normal (N = W cos q). Koefisien gesek  memberi gaya penahan Fs. Simbol  adalah faktor internal ekuivalen dengan tan f. Sesaat blok meluncur kebawah, gaya penahan ekuivalen dengan gaya penggerak sehingga persamaan keseimbangannya menjadi



W sin q = tan f . (W cos q )



tan q = tan f

 

q = f

Pada kondisi demikian, sudut bidang miring ekuivalen dengan sudut gesek dalam ( f) mengingat kohesi = 0.

71


Pengaruh Air dan Tekanan Pori pada Kuat Geser Batuan 

Saat air masuk kedalam sebagian atau seluruh pori contoh batu, keseimbangan tegangan internal di dalam contoh batu akan dirubah dan konsekuensinya propagasi rekahan dapat menerus dan menurunkan karakteristik kekuatan batuan.



Air tidak mengontrol karakteristik kekuatan untuk batuan kuat dengan UCS > 100 MPa, kecuali tekanan air pori yang juga menurunkan tegangan normal yang bekerja sehingga menjadi tegangan normal efektif & tentunya menurunkan kuat geser.



Batuan lunak dengan UCS < 25 MPa – mudstone, claystone & batuan lunak lainnya cenderung dipengaruhi kandungan air, khususnya C & f – berkaitan dengan komposisi mineralnya yang dapat dianggap reaktif atau tidak dalam mengikat air seperti monmorilonite dan kaolinite



Kehadiran air di dalam massa batuan menyebabkan bidang diskontinu sebagian tertekan sheingga menurunkan tegangan normal.



Laju geser pada permukaan basah lebih lambat daripada permukaan kering. 72


Faktor Eksternal Kuat Geser Batuan

Tegangan normal 

Massa batuan pada umumnya mempunyai rekahan yang ditimbulkan oleh pembebanan sejak awal pembentukan batuan tersebut. Tegangan terkonsentrasi pada rekahan tesebut, sehingga kehadiran rekahan sangat mempengaruhi perilaku massa batuan. Dengan adanya faktor kekasaran bidang rekahan, maka kondisi tegangan normal konstan akan tidak realistik tercapai pada kondisi alami.



Selain itu, peristiwa geologi seperti gempa bumi memungkinkan terjadi perubahan beban normal terhadap massa batuan dan berpotensi membentuk bidang geser baru pada massa batuan.



Kuat geser, dalam hal ini kuat geser puncak, akan meningkat seiring peningkatan tegangan normal. Hal ini mengindikasikan bahwa bidang lemah pada kedalaman yang lebih dalam cenderung akan semakin kuat. Uji kuat geser harus dilakukan pada kondisi tingkat tegangan normal yang tidak melebihi batas elastisitasnya. Hal ini dilakukan untuk memperoleh deformasi yang disebabkan tegangan geser dan bukan oleh tegangan normal.

73


Keberadaan Material Pengisi Pada Rekahan

a

Filled discontinuity

b

c

g n a b m o l e g o d u t i l p m a

74

i s i g n e p l a i r e t a m l a b e t

d

i


Faktor Eksternal Kuat Geser Batuan Bidang geser dan material pengisi pada bidang geser 

Kuat geser dapat berkurang secara signifikan ketika sebagian atau seluruh permukaan tidak kontak secara langsung melainkan ditutupi oleh material pengisi yang relatif lunak seperti lempung, kalsit dan lanau. Jika ketebalan material pengisi lebih besar dari amplitudo gelombang (undulation) permukaan geser, maka karakteristik geser akan ditentukan oleh kekuatan material pengisi (Gambar c dan d). Tetapi jika tinggi ketebalan material pengisi tidak melebihi amplitudo gelombang (undulation) permukaan geser (Gambar b), maka perilaku geser batuan akan lebih kompleks. Pada kondisi seperti ini, menurut Barton dan Choubey (1977), mekanisme pergeseran batuan akan mengalami dua tahap. Pertama, tegangan dan perpindahan hanya dipengaruhi oleh kekuatan material pengisi. Setelah terjadi perpindahan, permukaan bidang geser akan mengalami kontak sehingga kekuatan bidang diskontinu ditentukan oleh kekasaran dan kekuatan bidang geser itu sendiri. Pada Gambar, model kekasaran yang digambarkan merupakan kekasaran permukaan geser dengan sudut kemiringan i pada proyeksi orde dua sehingga pada tegangan normal yang tinggi kekasarannya akan hancur dan sudut proyeksi orde satu akan menggantikan peran sudut proyeksi orde dua.



Goodman (1970) mengatakan bahwa kuat geser rekahan akan turun dan menjadi sama dengan kuat geser material pengisi jika ketebalan material pengisi minimal 50 % lebih tebal dari amplitudo gelombang (undulation) 75


Pengukuran Sudut Kekasaran Permukaan Geser Batuan (Patton,1966)

iII-3

iII-1 iII-2



iII-4 iI

Gambar menunjukkan contoh pengukuran sudut kekasaran permukaan i ( roughness angle i ) yang dilakukan oleh Patton (1966) pada permukaan geser batuan. Sudut proyeksi orde satu adalah sudut gelombang kekasaran yang utama (major undulation) pada permukaan geser batuan dan ditunjukkan oleh sudut iI, sedangkan gelombang-gelombang kecil dengan sudut yang lebih besar disebut sebagai sudut proyeksi orde dua dan ditunjukkan oleh sudut-sudut iII-1 sampai iII-4.



Menurut Barton (1973), pada tegangan normal yang rendah, sudut proyeksi orde dua memainkan peranan penting dalam menentukan kekuatan geser (sudut gesek dalam) batuan dan kuantifikasinya dinyatakan dalam ( f + i). Dengan meningkatnya tegangan normal, kekasaran orde dua akan hancur sehingga perannya digantikan oleh sudut proyeksi orde satu. Pada tegangan normal yang cukup tinggi kekasaran orde satu juga akan hancur sehingga perilaku kekuatan geser batuan akan lebih dipengaruhi oleh kekuatan batuan utuh ( intact rock) daripada kekasaran permukaan geser.

76


Faktor Eksternal Kuat Geser Batuan Kekasaran Permukaan Geser 

Semakin kasar permukaan geser, semakin besar kekuatan geser batuan. Tetapi kekasaran ini akan

berpengaruh hanya pada tegangan normal yang redah karena pada tegangan normal yang cukup tinggi permukaan geser akan hancur sehingga perilaku kekuatan geser batuan akan lebih dipengaruhi oleh kekuatan batuan utuh (intact rock) daripada kekasaran permukaan geser. Ladanyi dan Archambault (1970 & 1972) telah melakukan penelitian tentang batas pengaruh kekasaran permukaan geser terhadap kekuatan geser batuan. 

Dari penelitian tersebut, diperoleh sebuah kriteria kuat geser batuan yang menunjukkan bahwa kekasaran permukaan geser batuan masih berpengaruh hingga pada batas perbandingan tegangan normal efektif yang bekerja pada permukaan rekahan dan kuat tekan uniaksial permukaan rekahan atau nilai (/JCS) sama dengan 0,15. Artinya bahwa kekasaran permukaan geser batuan masih berpengaruh hingga pada batas tegangan normal efektif yang bekerja pada permukaan rekahan batuan

tersebut sekitar 15 % dari kuat tekan uniaksialnya 

Menurut Grasselli (2001), kekasaran permukaan bidang diskontinu akan mempengaruhi kekuatan geser batuan pada tingkat tegangan normal hingga 20 % kuat tekan batuan. Tetapi tetap perlu diingat bahwa tegangan normal maksimumnya diusahakan agar tidak melebihi batas elastisitas batuannya 77


Pengaruh Kekasaran Bidang Geser pada Sifat Kuat Geser F (kN) Fp Y 0,5 Fp

ks

n Dx i

u (mm)

p

m

fi

Dy

p ci

(a) i

n

f n

(c) σn

h

i

p (b)

78


V. Uji Kuat Tarik

79


Manfaat Uji Kuat Tarik (Tensile Strength) 

Memperoleh nilai kuat tarik batuan



Menganalisis ketidakstabilan pada batuan yang terjadi akibat adanya gaya tarik yang besar



Mengetahui karakter deformasi brittle atau ductile batuan (kuat tekan dibandingkan dengan kuat tarik)

80


Kuat Tarik Tak Langsung – Brazilian Test σt



2F



t = Indirect tensile strength, MPa

πDt



D = Diameter, mm



F = Load, N



t = Thickness, mm



UTS << UCS



UCS/UTS = Toughness ratio = Brittleness Index



BI menaik kinerja rock cutting menjadi baik

Top Jig Brazilian

Tensile force

Crack

D

Tensile force

Bottom Jig Brazilian 81


Kuat Tarik Langsung Bonded

82

End-pull

Grip


Klasifikasi Brittleness Index Brittleness Index =

83

c /

Keterangan

t

6 – 7

Sangat tough & plastik

7 – 8

Tough & plastik

8 – 12

Rata-rata jenis batuan

12 – 15

Sangat brittle tak plastik

15 – 20

Sangat brittle

σc =

8 σt , Griffith (1921).

σc =

(8.5 – 15) σt , Brace (1964).

σc =

(5.5 – 9.5) σt , Jaeger dan Hoskins (1966).

σc =

10 σt , Jumikis (1983). Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

VI. Uji Triaksial

84


Keruntuhan Atap pada Lubang Tambang Emas Bawah Tanah

85


Variasi Kondisi Tegangan Pengukungan

86


Uji Triaksial 

Uji ini dimaksudkan untuk menentukan kekuatan batuan utuh di dalam kondisi tegangan triaksial.



Data yang diperoleh dari uji ini dibutuhkan untuk menentukan:

87



Selubung kekuatan (intrinsic curve)



Kuat geser ()



Sudut gesek dalam (f)



Kohesi (C)


Skematik Diagram Uji Triaksial

88


Uji Triaksial disertai Uji Kecepatan Ultrasonik Mesin Tekan (

1)

Sel Triaksial

Pompa Tekan ( 3)

89

PUNDIT (UV)


Berbagai Tipe Sel Triaksial

90


Sel Triaksial Hoek & Franklin (1968)

91

Triaksial Sel Von Karman (1911)


Uji Triaksial Konvensional failure

1 31

failure

failure

2 31

3

32

32

Get sample out

33

33

Get sample out

3 2 1

92

31 <

32

<

33

11 <

12

<

3


80 70

Lingkaran Mohr & Kurva Intrinsic

60 50 ) a P M (

40

1

30

30

20 TXHB - KONV

10

TXMC - KONV

25

0 -6

-4

-2

0

2

4

6

8

3 (MPa)

 = c + N Tan f

) a 20 P M (

No

 = 5.22 + N Tan 32.81

s s e 15 r t S r a e h 10 S

f

5

0

c

0

5 31 33 32

93

10

15

20

Normal Stress (MPa)

25

30

11 12

13

(MPa)

(MPa)

1

1.00

22.61

2

2.00

25.70

3

3.00

29.34

3 MPa 0 50 100 200

1-3 MPa 72 159 248 418


10

Dredging Processes Cutting Of Rock Prof. Ir. W.J. Vlasblom (January 2007) dalam Rai dkk (2014)

94


Pengaruh

95

3

Terhadap Perilaku

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik

Perilaku Keruntuhan Menurut Kecepatan Ultrasonik pada Uji Triaksial

96


Faktor Berpengaruh Pada Kurva Triaksial

– Pengaruh Strain Rate

Pengaruh Suhu 25 °C 2000

300 °C 1500 ) a P M (

500 °C

3

 1000  1



800 °C 500

5

97

10 15 Regangan aksial (%)


Pengaruh Air Pada Kurva Triaksial Schwartz (1964)

Kwasnieski (1990)

Tekanan air pori mempunyai sedikit pengaruh pada kekuatan batuan jika angka pori spesimen batuan kurang < 0,02.

Kurva perbedaan tegangan – regangan longitudinal spesimen Bogdanka mudstone kondisi kering dan basah yang diuji pada tegangan pengukungan 20 MPa.

400

90

Granite (void ratio = 0.022) Sandston e (void ratio = 0.16 3) Applied 3 = 35 MPa

350 ) 300 a P M ( 250 s s e r t s 200 c i r o t a 150 i v e D 100

 =  =

80

7 MPa

7 MPa  = 21 MPa  =

 =

35 MPa

21 MPa

98

1

2

wet specimen

0

35 MPa

0 0

3 = 20 MPa

10

50  =

air-dry specimen

) a 70 P M ( 60 s s e 50 t s c 40 i r o t a 30 i v e D 20

3 Strain (%)

4

5

6

0

2

4

6

8

10

Longitudinal strain (%)

12

Pengaruh Air Pada Kurva Triaksial

–

Batupasir (Schwartz, 1964)

150 0 tekanan aksial (MPa) 100

27.6 41.4 55.2

50

62.1 69.0 1

2 regangan aksial (%) 99


Pengaruh arah bidang lemah terhadap tegangan deviatorik (Donath, 1972; Mc Lamore & Gray 1967; Brown et. 1977)

100


Pengaruh Tekanan Pemampatan Terhadap Sudut Fraktur

101


Metode Tak Langsung Menentukan UCS & UTS

n 

1

 

1

2

2

(1  3) 

1 2

(1 - 3)cos 2b

(1 - 3)sin 2b

3(1  sin f)  2c cos f 1  1 - sin f

c  t  102

2c cos f 1 - sin f 2c cos f

 = n tan f + c

b = 45 + f/2 Pada kondisi tekan, 1 = c & 3 = 0 Pada kondisi tarik, 1 = 0 dan 3 = - t Keterangan = Tegangan geser   = Tegangan normal  N = Tegangan prinsipal mayor  1 = Tegangan prinsipal minor  3 = Kohesi  c 

b

= Sudut antara 1 dan n



f

= Sudut gesek dalam



c

= Kuat tekan uniaksial (UCS)

t

= Kuat tarik uniaksial (UTS)



1  sin f Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik Batuan Utuh

Uji Triaksial Metode Multistage Tepat akan failure

Tepat akan failure

1

failure

1

31

31

1

32

32

33

33

pembebanan dihentikan Sample tidak dikeluarkan

pembebanan dihentikan Sample tidak dikeluarkan

31 <

32

<

33

11 <

12

<

3

3 X detik

2

X + a detik

1

Titik terminasi

X + n detik

Pembebanan dihentikan

n

103


Kurva Tegangan Aksial – Regangan Aksial – Kecepatan Ultrasonik

Hasil Uji Triaksial Multitahap Andesit Baleendah

104


Pengaruh Stress Paths pada Uji Triaksial Multitahap (Melati, 2014)

Uji Triaksial Konvensional contoh A Multitahap I contoh B contoh A Multitahap II contoh B

105

8 175.35 161.07 169.91 164.13 170.68

Tekanan pemampatan (MPa) 12 16 20 222.56 272.25 327.56 229.90 263.38 297.23 221.77 270.45 316.55 213.04 243.96 280.85 201.58 232.49 263.37

24 347 365.87 335.21 316.22 337.80


Kriteria Mohr-Coulomb Andesit Baleendah

Uji triaksial Konvensional Multitahap I Perbedaan relatif (%) Multitahap II Perbedaan relatif (%)

106

C (MPa) 13.39 13.65 2.00 14.33 7.07

(°) 56.74 56.30 -0.77 54.23 -4.43

c (MPa)

89.62 90.17 0.61 88.81 -0.91

k 11.21 10.90 -2.71 9.60 -14.34

(°) 84.90 84.76 -0.17 84.05 -1.00


Kriteria Hoek-Brown Andesit Baleendah

Uji triaksial

107

ci (MPa)

mi

ti (MPa)

Konvensional

71.66

50

-1.43

Multitahap I

69.79

50

-1.40

Perbedaan relatif (%)

-2.61

0

-2.61

Multitahap II

61.29

50

-1.23

Perbedaan relatif (%)

-14.47

0

-14.47


Kriteria Failure Bieniawski 5

4

3 c

/

1

2

1

0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

3 / c

108

Mekanika Batuan - Sifat Fisik dan Mekanik

1

Pengaruh Tekanan Pemampatan Terhadap Modulus Young

a P 14 G ( 12 E , 10 g n 8 u o 6 Y s 4 u l u 2 d 0 o M 0

Multistage : y = -0,0018x + 7,87 E = 7,87 GPa = konstan

Konvensional : y = -0,0022x + 7,45 E = 7,45 GPa = konstan

5

10

15

20

Tekanan Pemampatan, 109

25

30

35

3 (MPa)


Pengaruh Kurva -

110

3

Pada


Stress-strain response of a simulated rock mass specimen (8m diameter) at varying levels of confinement. The yield state of discontinuities and the deformation of the specimen at milestones of yield are shown.

111


5 Tipe Pecah Batuan Akibat Pembebanan Triaksial (Griggs & Handin, 1960)

112


Homogeneous Shear & Local Shear

113


VII. Uji Indeks – Point Load Test

114


Point Load Index (PLI)



Uji PLI dilakukan untuk mengetahui kekuatan (strength) contoh batu secara tidak langsung di lapangan



Bentuk contoh batu: silinder atau tidak beraturan.



Peralatan yang digunakan mudah dibawa-bawa, tidak begitu besar dan cukup ringan sehingga dapat dengan cepat diketahui kekuatan batuan di lapangan, sebelum dilakukan pengujian di laboratorium.



Contoh yang disarankan untuk pengujian ini berbentuk silinder dengan diameter = 50 mm (NX = 54 mm).



Fracture Index dipakai sebagai ukuran karakteristik diskontinuiti dan didefinisikan sebagai jarak rata-rata fraktur dalam sepanjang bor inti atau massa batuan

115


Tipe & Syarat Contoh Batuan Uji PLI (ISRM, 1985) P W

P

P

L > 0,5D

L

L D

D

D W2

W1

P

P

P L > 0,7D

a. Uji Diametrikal

116

D/W = 1.1

± 0.05

b. Uji Aksial

D/ W =1.0 – 1.4 W = (W 1+W2)/2


Peralatan

117


Tipikal Model Failure Untuk Valid dan Invalid Test Valid diametrical test

Valid axial test

Valid block test

Invalid core test

118

Invalid axial test


Point Load Index

Is



F D2

F Is(50)  k 2 D

 D    50 

0.45

k 

Is = Point load index, MPa F = Failure load, N D = Jarak antara dua konus penekan, mm c = 23 Is - Untuk diamater contoh 50 mm

Jika Is = 1 MPa, indeks tsb tidak memiliki arti, maka penentuan kekuatan harus berdasarkan uji UCS 119


Hubungan UCS – PLI – Schmidt Hammer Term

UCS (MPa)

PLI (MPa)

Schmidt Hardness (Type L)

Field Estimate of Strength

Examples*

R5 Extremely Strong

>250

>10

50-60

Rock material only chipped under repeated hammer blows

fresh basalt, chert, diabase, gneiss, granite, quatzite

40-50

Requires many blows of a geological hammer to break intact rock specimens

Amphibolite, sandstone, basalt, gabbro, gneiss, granodiorite, limestone, marble rhyolite, tuff

30-40

Hand held specimens broken by a single blow of a geological hammer

Limestone, marble, phyllite, sandstone, schist, shale Claystone, coal, concrete, schist. shale, siltstone

R4 Very Strong R3 Strong

100-250

50-100

4-10

2-4

R2 Medium Strong

25-50

1-2

15-30

Firm blow with geological pick indents rock to 5mm, knife just scrapes surface

R1 Weak

5-25

**

<15

Knife cuts material but too hard to shape into triaxial specimens

chalk, rock salt, potash highly weathered or altered rock clay gouge

R0 Very Weak

1-5

**

Material crumbles under firm blows of geological pick, can be scraped with knife

Extremely Weak

0.25-1

**

Indented by thumbnail

120


VIII. Uji Indeks – ISI, ISI, BPI, Schmidt Hammer

121


Impact Strength Index (ISI)







ISI (Evans & Pomeroy, 1966) & uji Protodyakonov adalah sejenis. Uji ISI menggunakan peralatan khusus Contoh batu:   



122

ukuran 0.95 - 0. 32 cm berat 100 gram dipukul dengan piston sebanyak 20 kali sisa batuan berukuran semula ditimbang dan sama dengan ISI


Block Punch Index (BPI) F (kN)

1 3 4

5

2

4

a. Contoh Sebelum Runtuh Keterangan 1. Punch Block 2. Rangka Bawah 3. Penjepit

123

5

b. Contoh Setelah Runtuh

4. Contoh batuan sebelum runtuh 5. Contoh batuan setelah runtuh


Block Punch Index (BPI) 

Perhitungan Block Punch Index berdasarkan spesifikasi alat yang terdapat di Laboratorium Geomekanika ITB adalah dengan membagi beban maksimum (F) terhadap luas contoh batuan yang bergeser (A) yang dinyatakan dalam persamaan.



BPI

= Block Punch Index (MPa)



F

= Beban runtuh (N)



A

= Luas bagian runtuh (mm2)



r

= Jari-jari contoh (mm)



K

= Lebar BPI = 15 mm



t

= tebal contoh (mm)

BPI 

124

F

 2  K  4 t r      2 

2

  

0,5


Schmidt Hammer 

Ada 2 tipe untuk batu dan beton: L & N. Energi impak (EI) tipe L = 0,735 J = 1/3 EI tipe N & dimensinya juga lebih besar.



Tipe L untuk uji contoh batuan silinder & tipe N untuk contoh batuan besar; blok batuan / langsung pada massa batuan.



3

Terdiri dari piston yang dikombinasikan dengan per. Piston secara otomatis terlepas dan menumbuk permukaan kontak dengan batuan ketika hammer ditekan ke arah permukaan batuan. Piston tersebut akan segera memantul kembali ke arah dalam hammer. Jarak pantul piston yang terbaca pada indikator dinyatakan sebagai nilai pantul Schmidt Hammer. Nilai pantul Schmidt Hammer = rata-rata 10 pengujian. Jarak pantulan ini merupakan

2

fungsi dari jumlah energi impak yang hilang akibat deformasi plastik dan failure dari batu di tempat terjadinya impak. 

Nilai pantul fungsi orientasi dari hammer. Pengujian dengan menekan hammer

1

relatif ke arah bawah menghasilkan nilai pantul < daripada menekan hammer ke arah atas. Gaya gravitasi akan menghambat pantulan piston pada saat hammer ditekan ke arah bawah sebab arah pantul dari piston berlawanan arah dengan gaya gravitasi. 

Perlu dikalibrasi dengan melakukan 10x pembacaan pada anvil standar.

125

1. 2. 3.

Contoh batuan Impact plunger Indikator angka pantul


Hubungan UCS & Impact Strength Index (ISI) 

Uji ISI sudah tidak direkomendasikan lagi oleh ISRM 1986 – Commision on Testing Methods Groups on Test For Drilling and Boring , sehingga perkembangan penelitian untuk

mengembangkan kegunaannya, baik untuk memprediksi nilai UCS maupun manfaat lainnya, menjadi kecil. 

Kahraman (2001), data hasil uji ISI relatif konsisten daripada UCS dan uji indeks lainnya.

Referensi

Persamaan

Tipe Batuan

Hobbs (1964)

c* = 53ISI – 2509

Goktan (1988)

c = 0,095ISI – 3,667

batuan sedimen

Kahraman (2001)

c = 4×10-10ISI5,87

batuan beku, batuan sedimen, batuan metamorf

126


Hubungan UCS & BPI 

Schrier (1988) BPI adalah uji indeks dan bukan untuk mengukur kuat geser batuan karena kemungkinan dipengaruhi oleh tegangan bending (Everling, 1964).



Uji BPI ekuivalen dengan uji indeks lainnya untuk menduga UCS, & tingkat akurasinya yang lebih baikdaripada uji PLI.



Rivai (2001): hubungan UCS & BPI dapat dilakukan untuk batuan lunak karena penekanan yang terjadi pada uji BPI menyangkut suatu luas yang lebih besar dari point sehingga akan memberikan efek geser.

Referensi

Persamaan

Tipe Batuan

Schrier (1988)

c= 6,1BPI – 3,3


Ulusay & Gokceoglu (1998)

c = 5,5BPI c


Rivai (2001)

c = 7,13BPI c

batu pasir, batu lempung, batu lanau, batu andesit

127


Range of Average UCS of Rocks - MPa

3

m / N k k c o R f o t h g i e W c i f i c e p S

a P M t n i o J f o h t g n e r t S e v i s s e r p m o C l a i x a i n U

n o i t c e r i D r e m m a H

Joint Condition Joint Strength Estimate of JCS Based on Schmidt Hammer & SW of Rock 50.0

a P45.0 M , h40.0 t g n 35.0 e r t S30.0 e v i s 25.0 s e r p20.0 m o C15.0 l a i x 10.0 a i n 5.0 U

UCS = 1.058 R - 5.189

0.0 15

20

25

30

35

R Schmidt Hammer (Rebound Value)

Schmidt Hammer – L type hammer

128


40

Hubungan UCS & Schmidt Hammer Hubungan tsb memperlihatkan kecenderungan penggunaan bobot isi sebagai variabel tambahan pada hampir semua persamaan korelasi antara UCS dan Schmidt Hammer Referensi

Persamaan

Tipe Batuan

Tipe Hammer

1. Deere & Miller, 1966

1. c = 6,9 ×10(0,16+0,0087Rn)

1. -

L

2. Kidybinski, 1968

2. c = 0,477e(0,045Rn+)

2. -

-

3. Beverly et al., 1979

3. c = 12,74e(0,0185Rn)

3. -

L

4. Haramy & DeMarco, 1985

4. c = 0.094Rn – 0,383

4. batu bara

L

5. Cargill & Shakoor, 1990

L

5.1. batu pasir

5.1. c = e(0,043Rnd + 1,2)

5.2. karbonat

5.2. c = e(0.018Rnd + 2,9)

6. Kahraman, 2001

6. c = 6,97e(0,014Rn)

129

5. sedimen, metamorf

6. tiga jenis batuan


N

4 & 5 Sifat Fisik Dan Mekanik Batuan Utuh

Recommend Documents